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WO 00/35385 PCT/FR99/03073
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"PROTHESE DE DISQUE INTERVERTÉBRAL A COMPORTEMENT
MÉCANIQUE AMÉLIORE".
L'invention concerne les prothèses de disque
intervertébral.
5 On connaît d'après le document EP-0 356 112 une
prothèse de disque intervertébral comportant deux
plateaux et un coussin en matériau compressible
interposé entre les plateaux et fixé à ceux-ci. Une
telle prothèse autorise une importante mobilité entre
10 les deux vertèbres adjacentes. Elle peut notamment subir
des mouvements de compression entre les deux -vertèbres,
et de torsion suivant trois axes perpendiculaires entre
eux. Son comportement mécanique est donc proche de celui
d'un disque intervertébral naturel sain. Toutefois, elle
15 a notamment pour inconvénient que les sollicitations
latérales de chaque vertèbre sur le disque suivant une
direction perpendiculaire à la direction longitudinale
du rachis sont transmises en intégralité à l'autre
vertèbre, ce qui n'est pas le cas dans un vrai disque
20 sain. Or, ces contraintes de cisaillement sont
nuisibles.
Un but de l'invention est de fournir une prothèse
de disque d' un type différent et permettant d' approcher
encore davantage les propriétés mécaniques d'un disque
25 intervertébral naturel sain.
En vue de la réalisation de ce but, on prévoit
selon l'invention une prothèse de disque intervertébral
comportant deux plateaux et un coussin interposé entre
les plateaux, le coussin comportant un corps
30 compressible présentant des extrémités en contact avec
les plateaux, dans laquelle au moins l'une des
extrémités est libre de se déplacer par rapport au
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plateau associé suivant une direction parallèle au
plateau.
Ainsi, on évite l'apparition de sollicitations
latérales trop importantes entre les deux vertèbres
5 suivant une direction perpendiculaire à la direction
longitudinale du rachis. On reproduit donc mieux le
comportement d'un disque naturel sain.
Avantageusement, la ou chaque extrémité du corps
est logée dans un renfoncement de l'un des plateaux apte
10 à former une butée latérale pour cette extrémité.
Ainsi, on peut limiter les déplacements relatifs
latéraux entre le corps et le ou les plateaux.
Avantageusement, la ou chaque extrémité présente
une face ayant une zone de contact avec une face du
15 plateau associé, les faces étant agencées de sorte que
la zone de contact a une superficie qui augmente
lorsqu'on augmente une sollicitation du plateau en
direction du corps.
Ainsi, pour les valeurs de compression les plus
20 basses, la réaction mécanique de la prothèse lors de la
compression du corps varie très peu en fonction du
changement de dimension du corps suivant la direction de
compression. Autrement dit, la courbe de cette réaction
en fonction de la variation de hauteur du coussin est
25 peu inclinée par rapport à l'horizontale pour de faibles
valeurs de compression et on fournit peu d'effort en
début de course. Cette propriété reproduit celle d'un
disque naturel sain.
Avantageusement, la ou chaque extrémité présente
30 une face de contact avec une face du plateau associé,
les deux faces étant courbes dans au moins une direction
commune et étant respectivement concave et convexe.
Ainsi, après un déplacement latéral relatif du
corps et du plateau, ces deux faces assurent un auto-
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centrage de ces éléments les replaçant dans une
disposition coaxiale. Lorsque la face concave a au moins
un rayon de courbure supérieur à un rayon de courbure
correspondant de la face convexe, on obtient en outre
5 une zone de contact de superficie variable telle que
précitée.
Avantageusement, le corps comprend un matériau
viscoélastique, notamment du silicone.
Ainsi, ce matériau a, en compression, un
10 comportement tel que la courbe précitée a une forme en
hystérésis, ce qui rapproche encore le comportement de
la prothèse de celui du disque naturel sain.
Avantageusement, la prothèse comprend un fluide
interposé entre les plateaux.
15 Le fluide, notamment lorsqu'il est compressible,
accroît encore la forme en hystérésis.
Avantageusement, le fluide est en contact avec les
plateaux.
Avantageusement, le fluide s'étend en périphérie du
20 corps.
Avantageusement, la prothèse comporte une enceinte
renfermant le fluide et agencée de sorte qu'elle a une
superficie de section transversale parallèlement aux
plateaux sensiblement invariable lorsque varie une
25 sollicitation des plateaux l'un vers l'autre.
Avantageusement, la prothèse est destinée à la zone
lombaire du rachis.
D'autres caractéristiques et avantages de
l'invention apparaS.tront encore dans la description
30 suivante d'un mode prëféré de réalisation et de deux
variantes donnés à titre d'exemples non limitatifs. Aux
dessins annexés .
- la figure 1 est une vue en perspective d'une prothèse
selon l'invention ;
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- la figure 2 est une vue en coupe axiale selon le plan
II-II de la prothèse de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue à échelle agrandie d'un détail
D de la figure 2 ;
5 - la figure 4 est une courbe indiquant la force de
compression F exercée par les deux plateaux sur le
coussin en fonction de la variation de la distance les
séparant ;
- la figure 5 est une vue en coupe d'un détail d'une
10 variante de réalisation de la prothèse ; et
- la figure 6 est une vue simplifiée analr~gue à la
figure 2 montrant une deuxième variante de réalisation.
La prothèse de disque intervertébral 2 selon
l'invention est ici particulièrement destinée à la zone
15 lombaire de la colonne vertébrale du corps humain. Elle
comporte deux plateaux plats 4 ayant une forme générale
en haricot à hile postérieur en vue en plan. Chaque
plateau 4 comporte une plaque circulaire centrale 6 et
une couronne 8 s'êtendant en périphërie de la plaque
20 dans le plan de celle-ci. Au repos, les deux plateaux 4
s'étendent parallèlement l'un à l'autre, à distance et
en regard l'un de l'autre avec leurs contours en
coïncidence. Sur chaque plateau 4, la couronne 8 et la
plaque 6 présentent chacune une gorge 27 pour la
25 réception d'un joint 31.
La prothèse de disque 2 comporte un coussin ou
partie intermédiaire 10 interposé entre les deux
plateaux 4. Le coussin comporte un corps solide
compressible 12, ici en matériau viscoélastique, par
30 exemple en silicone. Ce corps a une dureté shore-A
avantageusement comprise entre 60 et 100, et ici
d'environ 80. Le corps 12 a une forme de révolution
autour de son axe principal 14. I1 présente une face
latérale cylindrique 16 et deux faces d'extrémités
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axiales 18 généralement perpendiculaires à l'axe 14 et
de forme légèrement sphérique convexe. Chaque face 18
présente donc deux courbures identiques dans des plans
perpendiculaires entre eux. Le corps 12 est disposé
5 coaxialement avec les plaques 6. Chaque plaque 6
présente une face centrale interne- plané 20
perpendiculaire à l'axe 14 et en contact avec une des
extrémités axiales l8.respectives du corps 12. Ainsi, la
face sphérique convexe 18 du corps est en appui sur la
10 face plane 20 du plateau. Le corps 12 est en appui sans
ancrage sur chacun des plateaux 4 de sorte.qu'il est
mobile par rapport à chacun de ces plateaux suivant une
direction parallèle aux plateaux, c'est-à-dire
perpendiculaire à l'axe principal 14. Compte tenu de la
15 compression du corps 12 exercée par les plateaux 4, et
compte tenu de la forme des faces des plateaux et du
corps, la mobilité suivant cette direction se traduit
par un roulement, éventuellement sans glissement, de
chaque extrémité axiale 18 du corps sur la face 20 du
20 plateau avec laquelle elle est en contact. Le corps 12
roule donc entre les deux plateaux. Ceux-ci se déplacent
alors latéralement l'un par rapport à= l'autre tout en
demeurant si besoin parallèles entre eux. On évite ainsi
la transmission de contraintes latérales de l'une à
25 l'autre des vertèbres.
Le coussin 10 comporte en outre un soufflet 22. Le
soufflet entoure le corps 14 coaxialement à celui-ci et
à distance de celui-ci. I1 a une forme symétrique de
révolution autour de l'axe 14. Sa paroi présente de
30 profil des ondulations 24 permettant de faire varier la
longueur du soufflet 22 suivant la direction axiale 19,
sans que varie sensiblement la superficie de sa section
transversalement à l'axe 14. En l'espèce, ce soufflet,
de même que les plateaux 4, est réalisé en titane ou
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alliage de titane, de sorte qu'il présente une certaine
rigidité axiale et forme un ressort de compression. I1
peut également être déformé suivant une direction
perpendiculaire à l'axe 14 ou subir une torsion autour
5 de l'axe 14 ou d'un axe quelconque perpendiculaire à
celui-ci.
Le soufflet 22 présente à ses deux extrémités
axiales des bords collés à des bords respectifs des
plaques 6 s'étendant en saillie de la face interne 20.
10 Le collage est réalisé de façon étanche de sorte que le
soufflet 22 définit avec les deux plaques 6 une enceinte
étanche à volume variable s'étendant autour du corps 12.
Cette enceinte renferme un fluide, en l'espèce un gaz
qui est ici de l'air. Les ondulations 24 les plus
15 proches du corps 12 s'étendent à distance de celui-ci
pour permettre une libre circulation du gaz de l'une à
l'autre des plaques 6.
Le soufflet 22 présente en l'espèce dix
convolutions, soit huit crêtes externes en plus des deux
20 crêtes de fixation aux plateaux. I1 a ici un diamètre
externe d'environ 30 mm et un diamètre interne d'environ
17 mm. Sa hauteur, lorsque la prothèse-est hors charge,
vaut 10 mm. La paroi du soufflet peut être réalisée au
moyen d'une, deux ou trois feuilles chacune de 0,1 mm
25 d'épaisseur et dont la somme des épaisseurs forme
l'épaisseur de la paroi. Le soufflet a ici en propre une
raideur d' environ 1, 6 N/mm.
Chaque couronne 8 comporte deux pattes 25
s'étendant en saillie d'une face externe du plateau 4
30 perpendiculairement au plan du plateau. Chaque patte 25
présente un orifice 27 la traversant de part en part en
direction du centre de la plaque et, sur une face de la
patte 25 opposée au plateau 4, une empreinte de forme
sphérique. Les orifices 27 permettent la réception d'une
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vis à os 26 ayant une tête 28 dont une face inférieure a
une forme sphérique mâle coopérant avec l'empreinte
femelle de la patte 25 pour permettre une libre
orientation de la vis 26 par rapport à la patte
5 associée.
Pour réaliser un ancrage à court -terme de la
prothèse de disque 2 dans la colonne, on pourra ancrer
les vis 26 dans le spondyle des vertèbres adjacentes au
disque à remplacer.
10 Toutefois, on pourra prévoir un ancrage dit à long
terme où, en outre, les surfaces des plateaux 4 en
contact avec les vertèbres adjacentes sont recouvertes
d'hydroxyapatite, ou de toute autre substance connue en
soi pouvant stimuler la croissance osseuse. Avant
15 recouvrement, lesdites surfaces pourront être traitées
pour obtenir un état de surface plus ou moins poreux,
présentant des points d'ancrage pour le tissu osseux,
pour assurer une meilleure interface avec ledit tissu
osseux.
20 On a représenté en figure 4 l'allure de la courbe C
indiquant l'intensité d'un effort de compression F
exercé sur le coussin 10 (c'est-à-dire sur les deux
plateaux 4) en faisant abstraction de leur
dêformabilité, quasi nulle, suivant la direction axiale
25 14, en fonction de la variation de la longueur 1 du
coussin suivant la direction axiale 14 (ou encore de la
distance entre les deux plateaux). Cette courbe
représente également la réaction mécanique R du coussin
dans les mêmes conditions. Cette courbe C n'est pas
30 linéaire. De plus, elle présente une forme en
hystérésis . la courbe Ca indiquant l'augmentation de la
compression F à partir de l'origine zéro étant distincte
de celle Cd indiquant la diminution de la compression F
jusqu'à l'origine, et s'étendant tout entière au-dessus
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de cette dernière. Cette forme en hystérésis prononcée
est due principalement au matériau viscoélastique du
corps et subsidiairement à l'association dans le coussin
10 du corps 12 et du fluide.
5 En outre, la courbe Ca, relative à l'augmentation
de la force de compression F, présente- à partir de
l'origine O une portion Cal à faible pente, puis une
portion Ca2 à pente plus forte. La courbe Cd illustrant
la diminution de la compression F présente pour les
10 valeurs les plus élevées de la force F une portion Cdl
de forte pente, puis pour les valeurs les plus basses de
la force F une portion Cd2 de pente plus faible. La
présence d'une portion de faible pente au voisinage de
l'origine pour les courbes Ca et Cd est due
15 principalement à la conformation des faces de contact
18, 20 du corps 12 et des plateaux 9, qui entraîne que
la superficie de la zone de contact mutuel entre chaque
plateau et le corps, généralement en forme de disque,
augmente lorsqu'on augmente la force F. Cette
20 augmentation se produit jusqu'à atteindre la superficie
maximale de la zone de contact, lorsque toute la face 18
touche le plateau 9. -
Les points de raccordement Ja et Jd forment
respectivement la jonction entre les courbes Cal et Ca2,
25 et Cdl et Cd2. Sur la courbe Ca, le point Ja correspond
à l'effort F pour lequel les surfaces maximales de
contact entre les plateaux et le corps sont atteintes.
De même, sur la courbe Cd, le point Jd correspond à
l'effort pour lequel ces surfaces cessent d'être
30 maximales.
La prothèse pourra être configurée de sorte que le
point Ja corresponde à une valeur de 01 située entre 25$
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et 75~ de la variation maximale de longueur envisagée
pour la prothèse en utilisation.
En référence à la figure 5, on pourra prévoir dans
une variante de réalisation (présentant par ailleurs les
5 autres caractéristiques de la prothèse de la figure 1)
que la face 20 de chaque plateau 4 en regard du corps 12
présente un renfoncement 32, ici en « U », formant butée
latérale, dans lequel. vient se loger l'extrémité axiale
18 correspondante du corps. On limite ainsi à une
10 certaine plage les déplacements relatifs latéraux du
corps 12 par rapport à chaque plateau 4. .
Dans la variante de la figure 6, la face 20 peut
être courbe et concave dans une ou deux directions,
comme c' est le cas ici, et la face 18 peut être courbe
15 et convexe dans la ou les directions correspondantes, le
rayon de courbure de la face 20 étant, pour chaque
direction, plus grand que celui de la face 18 dans la
direction correspondante. Les deux faces 18, 20 sont ici
sphériques. Les rayons de courbure des surfaces 18 et 20
20 seront par exemple compris entre 70 et 80 mm, et 140 et
200 mm respectivement. Un tel agencement permet
d'obtenir un auto-centrage des deux= faces tout en
autorisant un déplacement latéral relatif du corps 12
par rapport au plateau suivant une direction quelconque
25 perpendiculaire à une direction longitudinale du rachis.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, les
deux extrémités du corps 12 présentent une surface de
contact 18 avec le plateau associé de superficie
variable et le rendant mobile latéralement par rapport
30 au corps.
Au contraire, dans la variante de la figure 6,
seule l'une des extrémités 18 du corps 12 présente cette
propriété. L'autre extrémité, inférieure sur la figure
6, a une forme plane circulaire à zone de contact
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invariable avec le plateau associé et fixe par rapport à
celui-ci.
Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de
nombreuses modifications sans sortir du cadre de
5 celle-ci.
Le fluide pourra être un liquide, voire un mélange
d'un liquide et d'un gaz, ce dernier étant par exemple
faiblement soluble dans le liquide.
Le corps pourra avoir une forme elliptique en
10 section transversale à l'axe 14.
La face interne 20 des plateaux 4 pourra être
convexe, la face d'extrémité axiale 18 du corps 12 étant
plane, ou concave à rayon de courbure plus grand que
celui de la face 20 du plateau. Les deux faces en
15 contact du plateau et du corps pourront être convexes.
La courbure des faces pourra être limitée à un seul
plan.
On pourra mettre en oeuvre les caractéristiques
relatives à l'enveloppe 22 (ressort, distance au corps
12) indépendamment des autres caractéristiques.
